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离子液体调控聚甲基丙烯酸甲酯在超临界二氧化碳中微发泡性能的机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），作为一种重要的热塑性塑料，凭借其出色的透明性、良好的化学稳定性以及易加工等特性，在建筑、汽车、电子、医疗等诸多领域得到了广泛应用。在建筑领域，其常被用于制造透明板材、隔音材料等；汽车领域中，车灯、车窗等部件也离不开它；电子领域里，显示屏、光学透镜等产品也大量使用PMMA。然而，随着各行业对材料性能要求的不断提升，传统的PMMA材料在某些方面逐渐难以满足需求。

微发泡材料由于其独特的微观结构，具备密度低、比强度高、隔热隔音性能好等优点，成为了材料领域的研究热点之一。PMMA微发泡材料不仅能够保持PMMA原有的优良特性，还能进一步减轻重量、降低成本，在包装、航空航天、交通运输等对材料性能要求严苛的领域展现出了广阔的应用前景。例如在航空航天领域，减轻材料重量可以有效降低飞行器的能耗，提高飞行性能；在包装领域，微发泡PMMA材料可以在保证保护性能的同时，减少材料的使用量，降低成本和运输负担。

超临界二氧化碳（scCO?）作为一种环境友好、成本低廉且易于获取的物理发泡剂，在微发泡材料制备过程中具有显著优势。它具有临界温度和临界压力较低的特点，操作条件相对温和，能够在较低的温度和压力下实现对聚合物的溶胀和发泡，从而避免了高温高压对聚合物性能的不利影响。同时，scCO?无毒、无味、不可燃，对环境无污染，符合绿色化学的发展理念。在聚合物加工过程中，scCO?能够快速扩散进入聚合物基体，形成均匀的泡孔核，进而制备出泡孔尺寸小、分布均匀的微发泡材料。

离子液体（ILs）是一类由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的有机熔融盐，具有低熔点、“零”蒸气压、高热稳定性和化学稳定性等独特的物理化学性质。在高分子材料领域，ILs展现出了作为新型功能助剂的巨大潜力。它可以与聚合物形成良好的相容性，通过分子间相互作用对聚合物的结构和性能产生影响。在PMMA微发泡过程中，离子液体的加入能够改变PMMA与scCO?之间的相互作用，影响CO?在PMMA中的溶解度和扩散速率，进而对PMMA的微发泡性能产生重要影响。研究离子液体对PMMA在超临界二氧化碳中微发泡性能的影响，对于深入理解微发泡机理、优化微发泡工艺以及开发高性能的PMMA微发泡材料具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，有助于揭示离子液体与聚合物、发泡剂之间的微观相互作用机制，丰富和完善微发泡理论体系；在实际应用中，能够为制备具有特定性能的PMMA微发泡材料提供技术支持，满足不同领域对材料性能的多样化需求，推动相关产业的发展。

1.2国内外研究现状

国内外学者在聚甲基丙烯酸甲酯微发泡及离子液体应用方面开展了大量研究。在PMMA微发泡领域，对其制备工艺的研究不断深入。通过改进传统的物理发泡法和化学发泡法，以及探索新型的发泡技术，致力于制备出泡孔结构更加均匀、性能更优异的PMMA微发泡材料。在研究过程中发现，温度、压力、发泡剂含量等工艺参数对PMMA微发泡材料的泡孔尺寸、泡孔密度和力学性能等有着显著影响。升高温度能够加快发泡剂的分解和扩散，使泡孔生长速度加快，但过高的温度可能导致泡孔合并和破裂，影响泡孔结构的均匀性；增加压力可以提高发泡剂在聚合物中的溶解度，促进泡孔的成核，但压力过高也会增加设备成本和操作难度。此外，采用共混改性的方法，将PMMA与其他聚合物或添加剂复合，也能有效改善其微发泡性能。

在离子液体应用方面，其在多个领域展现出了独特的优势。在催化领域，离子液体作为绿色催化剂或催化剂载体，能够提高反应的选择性和催化效率，同时减少传统催化剂对环境的污染；在分离提纯领域，利用离子液体对不同物质的选择性溶解和分离能力，实现对混合物的高效分离；在能源存储与转换领域，离子液体被应用于电池、超级电容器等能源器件中，能够提高器件的性能和稳定性。在高分子材料领域，离子液体不仅可作为增塑剂，降低聚合物的玻璃化转变温度，提高其柔韧性和加工性能，还能赋予聚合物抗氧化性和抗静电性等特殊性能。通过分子设计合成具有特定结构和功能的离子液体，并将其引入到聚合物体系中，为开发新型高分子材料提供了新的思路和方法。

尽管相关研究取得了一定进展，但在离子液体对PMMA在超临界二氧化碳中微发泡性能影响机制的研究方面仍存在不足。对于离子液体与PMMA之间的微观相互作用方式，以及这种相互作用如何具体影响CO?在PMMA中的溶解、扩散和泡孔的成核与生长等过程，尚未形成系统、深入的认识。目前的研究大多集中在实验现象的观察和性能的测试上，缺乏从分子层面和微观结构角度对微发泡过程进行深入分析和理论解释。不同类型和结构的离子液体对PMMA微发